PHƯƠNG PHÁP điều CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO bộ NGHỊCH lưu BA PHA, có CODE

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR
KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU
BA PHA, CÓ CODE


MỤC LỤC


CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 2

CHƯƠNG 3


DANH MỤC VIẾT TẮT
DC

Direct current

AC

Alternating current

IGBT

insulated-gate bipolar transistor

THD

Độ méo hài

Trang 5

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ BIẾN TẦN VÀ NGHỊCH LƯU
1.1

Biến tần

Biến tần là một thiết bị điện biến đổi tần số dòng điện đầu vào từ tần số này
(50Hz, 60Hz) sang tần số khác ở đầu ra (phổ biến là từ 0 đến 400 hz).
Biến tần là một thiệt bị ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Mục đích
dùng để điều khiển tốc độ của động cơ khơng đồng bộ 3 pha.

N=(1-s)

N: là tốc độ của động cơ
(vòng/phút)
f: là tần số của lưới điện (Hz)
p: là số cục của dộng cơ
s: là hệ số trượt

Dựa theo công thức trên ta có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay
đổi các đại lượng có trong cơng thức f, p ,s.
Nếu thay đổi p ta có thể dụng phương pháp tam giá/sao, sao/sao nhưng
nhược điểm là không thay đổi linh hoạt các cấp độ, mỗi lần thay đổi đều
sinh ra hiện tượng động cơ bị giật.
Nếu thay đổi s mặc dù khác phục được nhược điểm của phương pháp thay
đổi p nhưng bắt buộc ta phải tạo ra được các mạch điều khiển để điều khiển
hệ số trượt s rất phức tạp và tốn kém.

Và khi ngành bán dẫn công suất ra đời. Phương pháp thay đổi f bằng biến
tần đã ra đời khắc phục hoạt toàn các vấn đề của các phương pháp kể trên.


Trang 6

1.1.2 Cấu tạo

Hình 1.1 Cấu tạo biến tần

Biến tần được cấu tạo từ các bộ phận có chức năng nhận nguồn điện có
điện áp đầu vào cố định với tần số cố định, từ đó biến đổi thành nguồn điện
có điện áp và tần số biến thiên ba pha (có thể thay đổi) để điều khiển tốc độ
động cơ.
Một số bộ phận chính của biến tần có thể kể đến như: mạch chỉnh lưu,
mạch một chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu và phần điều khiển.
Gồm 3 khối
Khối chỉnh lưu
Khối lọc gồm
Khối nghịch lưu
Bộ chỉnh lưu gồm 6 diode công suất mắc theo dạng mạch cầu 3 pha có
nhiệm vụ chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện 1 chiều. Điều
này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng tồn phần.
Mạch trung gian gồm có cuộn kháng Lf có tác dụng nắn dịng chỉnh lưu
và tụ điện một chiều Cf có điện dung lớn ( khoảng vài ngàn µF) đấu ngõ
vào của bộ nghịch lưu giúp cho mạch trung gian hoạt động như một nguồn
áp. Điện áp đã lưu trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi IGBT
tạo ra điện năng cho động cơ

Trang 7

Bộ nghịch lưu gồm 6 công tắc bán dẫn loại IGBT hoặc Mosfet kênh N (đối
với biến tần công suất nhỏ thì 6 cơng tắc bán dẫn này sẽ được đúc chung
một khối gọi là modul công suất). Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi
nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều ba pha có tần số thay
đồi.
1.1.3 Phân loại
Biến tần thường được chia thành biến tần AC và biến tần DC
Biến tần AC: được sử dụng một cách rộng rãi, chúng được thiết kế để điều
khiển tốc độ động cơ xoay chiều AC
Biến tần DC: kiểm xốt sự rẽ nhanh của động cơ điện một chiều
Ngồi ra ta cũng có thể phân loại biến tần theo công suất đáp ứng cho tải,
ứng dụng đặc biệt của biến tần như thang máy, năng lượng mặt trời, cầu
trục,…
Điện trở hãm: Lượng điện thừa tạo ra cần phải được xử lý bằng cách nào
đó. Điện trở được sử dụng để nhanh chóng “đốt cháy hết” lượng điện thừa
này được tạo ra bởi hiện tượng này bằng cách biến lượng điện thừa thành
nhiệt.
1.1.4 Nguyên lý hoạt động
Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc
thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ
chỉnh lưu cầu diode và tụ điện.
Sau đó, điện áp một chiều này được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3
pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT
(transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng
xung (PWM).


Trang 8

Hình 1. 2 Q trình điền chế sóng của biến tần.

Điện áp đầu ra có thể thay đổi giá trị điện áp và tần số vô cấp tuỳ theo cài
đặt.
Các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại,
nhờ vậy năng lượng tiêu hao qua biến tần là không đáng kể.
1.1.5 Ưu điểm khi sử dụng biến tần:
1.1.5.1 Tốc độ động cơ có thể được tự do thay đổi.
Khi không sử dụng biến tần:
-Không thể thay đổi tốc độ động cơ và cần phải điều chỉnh luồng khơng khí
bằng cách sử dụng một van điều tiết (van on-off). Ngay cả khi bạn làm
giảm luồng khơng khí, lượng điện sử dụng sẽ khơng thay đổi đáng kể.

Hình 1. 3 Tốc độ động cơ khi không sử dụng biến tần

Khi sử dụng biến tần:
Tốc độ động cơ có thể được tự do thay đổi. Đối với quạt và máy bơm, tác
dụng tiết kiệm điện rất hiệu quả.


Trang 9

Hình 1. 4 Tốc độ động cơ khi sử dụng biến tần.

1.1.5.2 Khởi động và dừng êm
Khi không sử dụng biến tần:
Băng tải khởi động và dừng đột ngột làm cho vật trên băng tải bị đổ hoặc
rơi.

Hình 1. 5 Khởi động và dừng khi không sử dụng biến tần.

Khi sử dụng biến tần:
Khi lắp biến tần quá trình khởi động và dừng êm nên vật khơng bị đổ.

Hình 1. 6 Khởi động và dừng khi sử dụng biến tần.


Trang 10

1.1.5.3 Lưới điện thay đổi tần số:
Khi không sử dụng biến tần:
Bạn không thể thay đổi tốc độ động cơ và phải điều chỉnh tốc độ bằng cách
sử dụng một Puly. Mất một lực để di chuyển, tốn thời gian và khơng khoa
học.

Hình 1. 7 Thay tốc độ khi không sử dụng biến tần.

Khi sử dụng biến tần:
Chúng ta có thể chuẩn hóa máy, dùng cho cả hai nguồn điện tần số 50Hz và
60Hz.

Hình 1. 8 Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách sử dụng biến tần

1.2 Nghịch lưu:
Thiết bị biến đổi điện áp một chiều (mc) thành điện áp xoay chiều (xc)
khơng phụ thuộc vào sự có mặt của lưới điện xoay chiều được gọi là nghịch
lưu độc lập.

Trang 11

Nguyên lý chung của nghịch lưu độc lập công suất lớn là dùng các chuyển
mạch bán dẫn để đổi chiều cấp điện áp cho tải xoay chiều từ nguồn điện áp
một chiều.
Nguồn điện áp một chiều có thể khơng ổn định và cố định hoặc điều chỉnh
được, tần số và giá trị của điện áp ra xoay chiều của nghịch lưu có thể
khơng đổi hoặc điều chỉnh được. Trong một số trường hợp giá trị và tần số
của điện áp ra xoay chiều có thể điều chỉnh đồng thời.
1.2.1 Tham số nghịch lưu
Tần số xoay chiều AC
Trong các bộ nghịch lưu thì tần số xoay chiều đầu ra được điều chỉnh bằng
cách điều chỉnh tần chuyển mạch của các phần tử chuyển mạch bán dẫn.
Biên độ của điện áp AC
Thay đổi điện áp DC đầu vào của nghịch lưu và trong trường hợp này quá
trình điều chỉnh là nằm bên ngoài bộ nghịch lưu và độc lập với quá trình
chuyển mạch của nghịch lưu.
Thay đổi điện áp AC nhờ q trình điều chỉnh bên trong nghịch lưu thơng
qua kỹ thuật gọi là điều chế độ rộng xung (PWM). Các phương pháp điều
chế sẽ được mô tả ở phần sau.
Dáng điệu của điện áp AC
Dáng điệu điện áp đầu ra sin thường là mong muốn trong hầu hết các ứng
dụng của nghịch lưu. Tuy nhiên, đầu ra xoay chiều của nghịch lưu thường
không sin do chứa một số lượng thành phần hài nhất định.


Phương pháp thứ nhất là sử dụng các mạch lọc ở đầu ra của nghịch
lưu.



Phương pháp thứ hai dựa trên kĩ thuật điều chế độ rộng xung, kĩ
thuật này sẽ làm thay đổi (điều khiển) thành phần hài ở trong điện áp
AC đầu ra và thành phần hài khơng cơ bản sẽ là có giá trị nhỏ nhất
hoặc là bằng 0 tuỳ vào kiểu của ứng dụng được sử dụng.

Thứ tự pha và chuỗi chuyển mạch


Trang 12

Các bộ nghịch lưu là thường được thiết kế để cấp đầu ra xoay chiều một
pha hoặc ba pha. Đối với các ứng dụng trong công nghiệp, cũng như ở
trong lĩnh vực quân sự đầu ra thường là ba pha.
Với các bộ nghịch lưu ba pha có số lượng các thiết bị chuyển mạch sẽ lớn
hơn và khi đó ta sẽ phải quan tâm tới thứ tự pha của chúng và chuỗi chuyển
mạch của các thiết bị chuyển mạch. Thứ tự pha được quyết định bởi chuỗi
chuyển mạch của các chuyển mạch bán dẫn.
1.2.2 Phân loại nghịch lưu
• Theo số lượng pha:
- Một pha
- Ba pha
• Theo đặc điểm nguồn
- Nguồn áp
- Nguồn dịng

Hình 1. 9 Nghịch lưu một pha.


Trang 13

Hình 1. 10 Nghịch lưu ba pha

1.2.2.1 Nghịch lưu nguồn dịng
• Nghịch lưu dịng là thiết bị biến đổi nguồn dịng một chiều thành
dịng xoay chiều có tần số tùy ý.
• Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dịng là nguồn một chiều cấp điện
cho bộ biến đổi phải là nguồn dịng, do đó điện cảm đầu vào Ld
thường có giá trị lớn vơ cùng để dịng điện là liên tục
a. Nghịch lưu dịng một pha.
Ngun lý làm việc.

Hình 1. 11 Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha

Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld= do đó dịng điện đầu vào được
san phẳng, nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện của
nghịch lưu iN có dạng xung vng.


Trang 14

Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id. Đồng thời
dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện. Khi tụ C nạp
đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do iN = iC + iZ = Id, nên lúc đầu dịng
qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên.
Sau một nửa chu kỳ t = t1 người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp
T3, T4 mở tạo ra q trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”.
Dòng phóng ngược chiều với dịng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị
khóa lại.
Q trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp

điện theo chiều ngược lại với cực tính “ + ” ở bên phải và cực tính “ - ” ở
bên trái, dòng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu. Đến thời điểm t =
t2 người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và q trình
được lặp lại như trước.
tk = là góc khóa của nghịch lưu.

Hình 1. 12 Giản đồ xung của nghịch lưu cầu một pha.

b.Nghịch lưu dịng ba pha.
• Trong thực tế nghịch lưu dịng ba pha được sử dụng phổ biến vì cơng
suất của nó lớn và đáp ứng được các ứng dụng trong cơng nghiệp.
• Cũng giống như nghịch lưu dịng một pha nghịch lưu dịng ba pha
cũng sử dụng tiristo.
• Để khố được các tiristo thì phải có các tụ chuyển mạch C1, C3, C5.


Trang 15

Hình 1. 13 Nghịch lưu dịng ba pha.

Hình 1. 14 Giảng đồ xung nghịch lưu dòng ba pha.

Trong nghịch lưu nguồn dịng vì tải ln mắc
song song với tụ chuyển mạch nên giữa tải và
tụ ln có sự trao đổi năng lượng, ảnh hưởng
này làm cho đường đặc tính ngoài khá dốc và
hạn chế vùng làm việc của nghịch lưu dòng.
Để làm giảm ảnh hưởng của tải đến quá trình
nạp của tụ C, người ta sử dụng điơt ngăn cách
D1, D2, D3, D4, D5, D6

Việc sử dụng các điôt này địi hỏi phía tụ
chuyển mạch chia làm hai nhóm :
Hình 1. 15 Nghịch lưu nguồn dịng tải mắc song song với tụ chuyển mạch.


Trang 16
•
•

Nhóm C1, C3, C5 dùng để chuyển mạch cho các van T1, T3, T5 .
Nhóm C2, C4, C6 dùng để chuyển mạch cho các van T2, T4, T6 .

Nghịch lưu dịng như đã phân tích ở trên khơng chỉ tiêu thụ cơng suất
phản kháng mà cịn phát ra cơng suất tác dụng vì dịng id khơng đổi
hướng nhưng dấu của điện áp hai đầu nguồn có thể đảo dấu. Điều đó có
nghĩa là khi nghịch lưu làm việc với tải là động cơ điện xoay chiều động
cơ có thể thực hiện hãm tái sinh.
1.2.2.2 Nghịch lưu nguồn áp:
• Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn
áp xoay chiều với tần số tùy ý. Nghịch lưu áp có thể điều chế theo
phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hịa bậc cao.
• Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế việc sử dụng nghịch lưu áp bằng
tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển
phức tạp.Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO,
MOSFET càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch
lưu áp trở thành bộ biến đổi thơng dụng và được chuẩn hóa trong các
bộ biến tần cơng nghiệp
a. Nghịch lưu áp một pha.
Ở nửa chu kỳ đầu tiên, cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào
nguồn. Do nguồn là nguồn áp lên điện áp trên tải U1 = E, hướng dòng điện

là từ T1 đến T2.
Ở chu kỳ tiếp theo, T1 và T2 bị khóa, đồng thời T3 và T4 mở ra tải sẽ được
đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều
và Ut = - E.
Do tải mang tính trở cảm nên dịng vẫn giữ ngun hướng cũ T1, T2 bị
khóa nên dịng phải khép mạch qua D3, D4. Suất điện động cảm ứng trên
tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C
Tương tự như vậy đối với chu kỳ tiếp theo khi khóa cặp T3, T4 dịng tải sẽ
khép mạch qua D1 và D2.


Trang 17

Hình 1. 16 Sơ đồ mạch nghich lưu áp một pha.

Hình 1. 17 Ngun lí làm việc của chỉnh lưu một pha.

Với:
Ψ: Góc dự kiến đóng các bộ khóa
ΨS: Góc thơng dịng của các bộ khóa


Trang 18

ΨR: Góc thơng dịng của các diode ngược
b. Nghịch lưu áp ba pha.
Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung
tính.
Van động lực cơ bản T1, T2, T3, T4, T5, T6 làm việc với độ dẫn điện 180 ,
Za = Zb = Zc .

Các điôt D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn
và tụ C đảm bảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp nhận năng lượng
phản kháng từ tải.

Hình 1. 18 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha.

Hình 1. 19 Quy luật điều khiển các tiristo.

Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải
tuân theo đồ thị như trên.
Như vậy


Trang 19
•
•
•

T1, T4 dẫn điện lệch nhau 180 và tạo ra pha A.
T3, T6 dẫn điện lệch nhau 180 để tạo ra pha B.
T5, T2 dẫn điện lệch nhau 180 để tạo ra pha C.

Và các pha lệch nhau 120 .

Hình 1. 20 Điện áp trên tải của mạch nghịch lưu.

Dạng điện áp trên các pha có giá trị hiệu dụng được tính bởi cơng thức
sau :
Suy ra

Trang 20

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG
GIAN(SVM)
2.1 Giới thiệu chung
Là phường pháp ra đời để kiểm soát và điều khiển chuyển đổi trạng thái
đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu thông qua T1, T2 và T0 khắc phục
đươc nhược điểm của phương pháp PWM khác- bộ nghịch lưu được xem
như là ba bộ biến đổi kéo-đẩy riêng biệt với ba điện áp pha độc lập với
nhau
2.2 Phương pháp điền khiển
Phương pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lần lượt bật tắt
các van với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0 đến 7.
Từ đó ta tiếng hành tính tốn thời gian đóng ngắt của các van.
2.3 Tiếng hành phân tích và tính tốn

Hình 2. 1 Nghịch lưu và tải.

2.3.1 Thành lập vector không gian:
Coi điện áp hình sin như một vectơ biên độ khơng đổi quay ở tần số không
đổi. với ba pha cần bằng ta có phương trình:


Trang 21

Với là biên độ và là tần số góc của điện áp 3 pha ngõ vào.
Với hàm số thỏa mãn được điều kiện cân bằng nói trên ta có thể chuyển
sang hệ tọa độ 3 pha tương tứng với:
[0 0] trùng với trục x.

[ 0 0] lệch một góc 120 độ so với trục x.
[ 0 0 ] lệch một góc 240 dộ so với trục x.

Hình 2. 2 Biễu diễn vector không gian 3 pha trong hệ tọa độ x-y

Vector điện áp dây

Vector điện áp pha


Trang 22

Với a, b, c tương ướng với trạng thái của các khóa.
Có 2 quy tắc khơng được ngắn mạch nguồn dịng(sẽ làm ngắn mạch nguồn
áp) và khơng được hở mạch nguồn áp(sẽ dẫn đễn q dịng) nê hai cơng tắt
trên cùng 1 nhánh không được cùng 1 trạng thái
Từ đó chỉ cần biết được trạng thái 3 khóa trên ta có thể suy ra được trạng
thái ba khóa dưới.

Hình 2. 3 Sơ đồng các trạng thái của khóa.


Trang 23

Tám trường hợp trên là đại diện cho 8 vector
Switch
Điện áp pha
Điện áp dây
a
b

c
Va
Vb
Vc
Vab
Vbc
V0
0
0
0
0
0
0
0
0
V1
1
0
0
2/3
-1/3
-1/3
1
0
V2
1
1
0
1/3
1/3

-2/3
0
1
V3
0
1
0
-1/3
2/3
-1/3
-1
1
V4
0
1
1
-2/3
1/3
1/3
-1
0
V5
0
0
1
-1/3
-1/3
2/3
0
-1

V6
1
0
1
1/3
-2/3
1/3
1
-1
V7
1
1
1
0
0
0
0
0
Các giá trị điện áp các trang thái đóng ngắt và các vector khơng gian tương
ứng.

Hình 2. 4 Biển diễn các vector không gian.

Các vector (V1 -V6) chia mặt phẳng thàng 6 vùng (sector) và mỗi sector
tương ưng với 60 độ
Trong đó vector V0 và V7 là hai vector zero trùng với góc tọa độ và có điện
áp bằng )

Vac
0

-1
-1
0
1
1
0
0


Trang 24

2.3.2 Biểu diễn vector Vr trên hệ tọa độ và tính góc :
Kỹ thuật điều chế vector khơng gian tại tầng chỉnh lưu dựa trên việc phân
tích khơng gian vector của dịng điện ngõ vào. Ta có phương trình phức
như sau:
Ta x‚y dựng được công thức chuyển đổi hệ tọa độ từ ba pha abc sang hệ tọa
độ phức x-y bằng cách cân bằng phần thực và phần ảo
mà


Trang 25

2.3.3 Tính tốn thời gian đóng ngắt:

Hình 2. 5 Vestor khơng gian Vr trong vùng sector 1.

Thơi gian đóng ngắt ở sector 1:
<=> =(+
=>

Biết